[科普中国]-瞬态响应分析

在发动机设计时， 为了提高气缸盖的设计效率，缩短设计周期，为了保证气缸盖在有限的体积和总量条件下具有足够的刚度和强度，需要对其结构方案进行准确的评价， 对其寿命进行准确的预估。

瞬态响应分析与静态分析相比较是一种更符合实际工作状态的分析方法， 在标定工况转速下，探讨了求解缸盖瞬态应力的方法，研究了缸盖高应力梯度部位多轴应力随着时间的变化趋势，为缸盖的疲劳分析与寿命预测提供可靠的边界条件。

瞬态响应瞬态响应，指系统在某一典型信号输入作用下，其系统输出量从初始状态到稳定状态的变化过程。瞬态响应也称动态响应或过渡过程或暂态响应。瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就戛然而止，决不拖泥带水。1

缸盖瞬态分析模型的建立瞬态动力学分析是确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移，应力，应变和力。瞬态动力学分为完全法、模态叠加法和缩减法，完全法、缩减法是基于直接积分法求解的一种方法。完全法不需要选取主自由度和振型，允许装配结构的非线性接触，不涉及质量矩阵的近似，在一次处理过程中即可求出需要的结果，具有一定的方便性，但是求解时间较长。

建立气缸盖装配结构的有限元分析模型，采用完全法对其进行动态响应分析得到瞬态应力，通过与缸盖静力学分析结果的对比来判断分析模型的可信性。

缸盖的结构离散气缸盖装配结构分析的网格模型是基于结构的三维实体模型离散得到的。结构离散前的实体模型中不需要考虑所有细节，如果对缸盖的所有细节都加以考虑，不仅对计算机的硬件要求极高而且也要耗费大量的时间。在保证高应力部位结构细节的前提下对缸盖结构作了适当的简化，缸盖上的加工倒角和直径小于5mm的螺栓孔全部省略，缸盖底面通水孔省略，所有螺纹孔用不带螺纹的圆孔来替代，低应力部位的铸造圆角省略；对发动机机体做了高度简化处理，在保证气缸盖螺栓孔方向上的机体刚度前提下，将其简化为一个带加强筋的外方内圆的桶状结构，只保留了缸体部位的结构；气缸垫圈简化为同一种材料的实体结构；缸盖螺栓去掉连接螺纹，简化掉其上的倒圆和倒角。

网格离散时，选取的单元类型为10节点的四面体二阶单元，将缸盖螺栓设定为螺栓单元，缸盖、机体的材料为蠕墨铸铁，垫圈为铝合金，缸盖螺栓为42CrMo，装配结构剖分后单元总数为121478、节点总数为200922。

载荷边界条件考虑的载荷类型为两种：一种是施加在缸盖螺栓上的预紧载荷，另一种是作用在缸盖火力面上的气体压力载荷。

缸盖安装螺栓分为主、副螺栓两类，主螺栓预紧力为130000N，副螺栓预紧力为85000N，预紧载荷在第二个载荷步施加，在第三个载荷步上锁定，在后续的载荷步中螺栓预紧力载荷由力转化成位移施加在有限元分析模型上。通过柴油机的缸内工作过程仿真分析，得到标定转速工况下的缸内气体工作过程压力曲线，将其扩展为3个周期的时间历程的缸内压力曲线，作为缸内气体压力载荷施加于缸盖火力面上，气体压力载荷方向垂直缸盖底面向上。

接触与约束边界条件缸盖有限元装配结构模型共有4组接触对：8个缸盖螺栓头底面与缸盖顶面的接触对；8个缸盖螺栓的螺纹部分与机体螺栓孔的接触对；缸盖底面与气缸垫的接触对；缸套上定位凸沿与气缸垫的接触对。接触对的接触类型均采用柔性的面面接触；接触单元为TARGE170和CONTA174号单元；螺栓与机体接触对的接触类型为绑定，其它接触对的接触类型均为标准接触类型。在发动机的缸体底面的断面上选取所有节点施加全约束。限制气缸体的刚体位移，其它零件的刚体位移通过在接触面设定摩擦系数后产生的摩擦力来约束。1

结论（1）通过与缸盖有限元静态分析结果的对比，修正了缸盖有限元瞬态响应分析模型，保证了动态响应分析结果与静态分析结果的应力增减趋势一致，对于动态应力与静态应力之间的差别是否与真实情况相吻合，需要通过试验来验证。

（2）缸盖在工作过程中，高应力部位既有多轴比例载荷应力，又有多轴非比例载荷应力，在疲劳寿命评价时可以根据情况区别对待。1

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学